10.1.1受控核聚變1.發展聚變能應用是替代化石類燃料與裂變能，推動人類文明發展的理想途徑。

2.聚變時，參加反應的原子核都帶正電，彼此之間互相排斥。粒子必須具有極高的動能，才能克服這種排斥作用，彼此接近到足以發生反應的程度。10.1.2磁力約束和慣性約束控制方法1.利用核聚變提取能量有兩個條件：一是保證充分的反應時間；二是約束高溫等離子體。

2.目前比較實用的能達到勞森條件的裝置有兩大類。一是利用一定的強磁場將高溫等離子體進行約束和壓縮，使之達到勞森判據，即所謂的“磁力約束方法”（magneticconfinementfusion,MCF）。二是慣性約束(inertialconfinementfusion,ICF)法，利用高功率的激光束或粒子束均勻照射用聚變材料制成的微型靶丸，在極短的時間內迅速加熱壓縮聚變材料使之達到極高的溫度和密度，在其分散遠離以前達到聚變反應條件，引起核聚變反應條件。

3.自20世紀60年代初梅曼成功地研制出激光器后不久，在美國及前蘇聯就開始了激光核聚變——慣性核聚變的研究。

10.1.3激光壓縮點燃核聚變的原理1.壓縮點燃的方式有兩種：一種是直接照射方式——多束激光以球對稱方式直接照射在靶丸表面；一種是間接照射方式——將靶丸放入由金等重金屬制成的空腔中，通過激光照射空腔內表面產生的X射線再照射靶丸。2.圖10-2表示了從壓縮點燃到核聚變點火、燃燒的全過程。圖10-2

壓縮點燃到核聚變點火燃燒的過程溫度也就降低了。由于這種減速實現時必須考慮入射光子對運動原子的多普勒效應，所以這種減速就叫多普勒冷卻。

1.20世紀80年代，借助于激光技術獲得了中性氣體分子的極低溫（如，10–10K）狀態，實現了單個原子的操縱。這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。2.激光冷卻的基本思想是：運動著的原子在共振吸收迎面射來的光子（圖10-3）后，從基態過渡到激發態，其動量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為

10.2激光冷卻3.由于原子速度可正可負，就用兩束方向相反的共振激光束照射原子（圖10-4）。這時原子將優先吸收迎面射來的光子而達到多普勒冷卻的結果。圖10-3

原子吸收光子動量減小圖10-4

方向相反的兩束激光照射原子4.實際上，原子的運動是三維的。1985年貝爾實驗室的朱棣文小組就用三對方向相反的激光束分別沿x，y，z三個方向照射鈉原子（圖10-5），在6束激光交匯處的鈉原子團就被冷卻下來，溫度達到了240oK。

10.2激光冷卻5.朱棣文的三維激光冷卻實驗裝置中，在三束激光交匯處，由于原子不斷吸收和隨機發射光子，這樣發射的光子又可能被鄰近的其他原子吸收。一種捕獲原子使之集聚的方法是利用“原子阱”，這是利用電磁場形成的一種“勢能坑”，原子可以被收集在坑內存起來。一種原子阱叫“磁阱”，它利用兩個平行的電流方向相反的線圈構成（圖10-6）。圖10-5

三維激光冷卻示意圖圖10-6

磁阱此力就成為作用在微粒上的力。如圖10-7所示，僅考慮由折射引起的力。1.光捕獲法是利用光的力學作用，對微米以下的微小物體，用激光束夾住并使其移動的技術

2.光子具有一定的動量，當光入射到微粒上時，光動量將隨著與微粒的相互作用中所產生的反射、折射、吸收等過程而變化。而力又由動量的變化所產生，如果在Δt時間內動量的變化量為ΔP，那么其產生的力F可由下式表示：

10.3.1光捕獲圖10-7

由折射引起的光的動量變化及微粒球收到作用力的幾何光學解釋5.上述的討論中，光所產生的只是使微粒球平移的力，而不產生旋轉運動，要給微粒一個旋轉力矩時可利用光所具有的角動量的方法。3.由上面的分析可知，光所產生的力總是使微粒球向著光束焦點處趨近的。實際上在滿足一定的條件下，不僅這兩條光線，在光束中的其它光線對也有同樣的能力，而且在同時考慮折射光和反射光的情況下也可以得到同樣的結論。

4.微粒球所受到的俘獲力還與微粒半徑、光束的空間分布、光波長等因素有關。

10.3.1光捕獲1.單一有機微粒的制作光壓不單提供微粒操縱手段，從化學觀點看它還能形成聚合結構。激光的聚光斑點直徑是波長級的，因此10nm級的超微粒被吸引到焦點上形成單一微粒。圖10-8模式方法表現其狀態。10.3.2微粒操縱圖10-8用光鑷子聚合高分子形成單一微粒過程2.細胞操縱與細胞融合圖10-9為一種光攝與微分干涉顯微鏡的原理圖。10.3.2微粒操縱圖10-9原理圖一種裝有微分干涉顯微鏡觀察系統的光攝激光化學過程中最重要的反應是切斷分子（分子鍵斷開）。如圖10-10所示，蒸發之前用激光照射ABC結合起來的分子,分子鍵斷裂，生成AB和C兩個碎片，這兩個碎片分別被蒸發到基片上再結合成薄膜，整個過程ABC分子在

AB和C之間的分子鍵斷裂就是激光誘導發生的化學過程。圖10-10激光化學過程舉例10.4.1激光波長和離解能的關系

圖10-11激光波長和離解能示意圖如果每一個分子的離解是由一個光子照射引起的，每1mol的分子所需要的離解能就等于1mol光子的能量，因而1mol分子的離解能可用下式來表示激光波長和離解能的關系示意圖如圖10-11所示。10.4.2激光切斷分子

圖10-12激光波長和離解能示意圖1.直接離解圖10-12(a)表示了分子AB直接解離成A+B的情況。

2.前期離解圖10-12(b)所示的是SiH2的生成實例。

3.熱分子機理離解與前期分離類似。像甲苯、C60等具有很高分子量的不飽和碳化物的光解離就屬于這種情況。如圖10-12(c)所示

4.紅外多光子離解

利用紅外光依次提高振動能級，可以使振動能量最終超過解離能。如圖10-12(d)所示

10.4.3液體、固體的光化學反應

圖10-13回籠效應光子的能量一部分用于光解離，一部分轉變為熱。而一旦產生解離周圍的溶質爭相返回形成再復合，稱為“回籠”效應，這也是溶液等物質的量子吸收量變小的另一個原因。如圖10-13所示。

10.5.1拉曼光譜1.拉曼光譜的基本原理

拉曼光譜的基本原理基于拉曼效應，即光通過介質后發生散射并發生頻率漂移。

拉曼效應的量子解釋：當能量為的光子作用于物體的分子時，可以產生兩類碰撞，一類為“彈性碰撞”，能量不變，散射頻率與入射頻率相同，這屬于瑞利散射；另一類為“非彈性碰撞”，在這種碰撞過程中，入射光子可能把一部分能量轉移給分子。此時，散射后的光子的頻率變小，即：即所謂譜線斯托克斯位移；另外，也有可能從分子獲得一部分能量。此時，散射后的頻率變大，即：

此式表征譜線反斯托克位移。式中ΔE代表分子內部二個量子化能級之差，所以通過測定拉曼散射光譜則可以得知分子能級結構，從而識別分子的種類。

10.5.1拉曼光譜2.各種類型的拉曼效應（1）共振拉曼效應

（2）幾種非線性拉曼效應

反拉曼效應：也叫拉曼吸收。它的過程是當一分子體系被頻率為ν的單色激光及一連續光束(包括ν的反斯托克線的頻段)照射時，在ν十Δν(Δν＞0)處，連續光束被分子體系所吸收，在連續譜帶上出現清晰的吸收銳線。受激拉曼效應：當入射到分子體系的激光束的光強或功率密度超過一定水平(閾值)時，散射光的強度突然大幅度地驟增(可達到與入射激光束光強相比的程度)；同時，散射光束的空間發射角明顯變小，散射光譜的寬度明顯變窄，具有激光發射的一切特點。超拉曼效應：又稱高次拉曼效應。它的產生過程及特點是，當入射光足夠強而還不足以出現受激拉曼效應時，觀察到2νo＋Δν、甚至3νo＋Δν(Δν為拉曼頻移)的散射，散射光很弱。（3）相干拉曼光譜3.激光拉曼光譜的應用10.5.2空間高分辨率的激光顯微光譜1.激光顯微光譜分析實驗裝置主要由激光器、顯微光學系統、電子控制系統、攝譜儀或光量計四部分組成。如圖10-14所示

圖10-14激光顯微光譜分析實驗裝置

10.5.2空間高分辨率的激光顯微光譜2.采用釹玻璃激光器作光源，其λ＝1.06μm，有效直徑一般為6mm，則α≈2×10－4弧度。但是，實際上有偏離軸向的振蕩模式，因而觀察到的α值比計算值大，一般為10－3弧度。這種激光束被焦距為f的顯微物鏡聚焦于樣品表面，其光斑直徑(見圖10-15)為

圖10-15激光在樣品表面的光斑

10.5.3頻率高分辨的雙光子光譜1.由于原子（分子或離子）的無規則熱運動，造成了譜線頻率的位移(相對于靜止的粒子)：

如果所有原子都處于靜止狀態，那么譜線的多普勒增寬就可以消除，所有能級的精細結構和超精細結構都可以分辨。

2.運用相反光束的雙光子吸收法，可以消去多普勒增寬。若從正向光束吸收光子的頻率為

從反向光束中吸收的光子的頻率則為：同時吸收這二個光子而產生的量子躍遷的頻率為：它與原子的熱運動速度無關，所以沒有多普勒增寬發生10.5.4時間高分辨率的激光閃光光譜圖10-16為用來測量有機分子或生物分子熒光光譜及壽命的實驗裝置。鎖模釹玻璃激光器發出微微秒的脈沖激光，由分束器把光分成兩路。一路經ADP晶體倍頻后，由透鏡聚焦射入樣品室以使樣品分子受到激勵。另一路首先經透鏡在水池內